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El proyecto internacional prepara modelos climáticos para la era Exascale

Hola de nuevo. Yo soy Simón Sánchez y esta vez te voy a contar sobre El proyecto internacional prepara modelos climáticos para la era Exascale

Por muy bien intencionados que sean, los esfuerzos de las naciones individuales para frenar el cambio climático siempre serán menores. Dado que el clima no respeta las fronteras nacionales, la cooperación global será la clave para cualquier solución. Si bien la cooperación política internacional para abordar el problema ha sido frustrantemente lenta, al menos un aspecto del problema está ganando algo de atención mundial: la modelización climática.

El primer esfuerzo internacional para llevar software de simulación climática a plataformas de exaescala de próxima generación comenzó a principios de la primavera. El proyecto, denominado Enabling Climate Simulation (ECS) a escala extrema, está en curso. financiado por la Iniciativa de los Consejos de Investigación del G8 sobre Investigación Multilateral y reúne a algunas de las organizaciones más importantes en investigación y computación climática, sin mencionar algunas de las mejores supercomputadoras del planeta.

Este proyecto surgió de la colaboración continua de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (UIUC) y el Instituto Nacional Francés de Investigación en Ciencias de la Computación y Control (INRIA), aunque Laboratorio conjunto para el cálculo de petaescala y se basa en el apoyo de NCSA, que proporcionará acceso al próximo sistema Blue Waters multi-petaflop.

En pocas palabras, el objetivo del proyecto G8 ECS es estudiar cómo realizar simulaciones climáticas de manera eficiente en futuros sistemas de exaescala y obtener resultados correctos. Se centrará en tres temas principales: (1) cómo completar simulaciones con resultados correctos a pesar de las frecuentes fallas del sistema; (2) cómo aprovechar las computadoras jerárquicas con aceleradores de hardware cercanos a su máximo rendimiento; y (3) cómo ejecutar simulaciones eficientes con mil millones de hilos. Este proyecto también tiene como objetivo educar a las nuevas generaciones de científicos del clima e informáticos sobre técnicas para la computación de alto rendimiento a una escala extrema.

El equipo está dirigido por Marc Snir (director de proyecto) de UIUC y Franck Cappello (director asociado) de INRIA. Reúne a investigadores de cinco naciones del G8: Estados Unidos (Universidad de Illinois en Urbana Champaign, Universidad de Tennessee y Centro Nacional de Investigación Atmosférica), Francia (INRIA), Alemania (Escuela Alemana de Investigación en Ciencias de la Simulación), Japón (Tecnología y Universidad de Tokio). de Tsukuba), Canadá (Universidad de Victoria) y España (Barcelona Supercomputing Center).

Calendae tuvo la oportunidad de preguntar al director del proyecto Mark Snir y al científico atmosférico Don Wuebbles de UIUC y Franck Cappello de INRIA sobre los detalles del esfuerzo de ECS del G8 y brindar algunas perspectivas sobre lo que significa para la investigación climática y las comunidades. de la informática.

Calendae: ¿Cómo es que los modelos climáticos actuales que se ejecutan en sistemas de teraescala y petaescala no están a la altura?

Don Wuebbles: Existe una gran necesidad de ejecutar modelos climáticos globales con tratamientos detallados de procesos atmosféricos, terrestres, oceánicos y biosféricos a muy alta resolución, con la última generación de modelos climáticos que se pueden ejecutar en computadoras a petaescala capaces de lograr una resolución horizontal de apenas unos 13 kilómetros. Esta capacidad permite abordar muchos procesos relevantes sin tener que realizar las severas aproximaciones y parametrizaciones encontradas en los modelos utilizados en evaluaciones climáticas previas.

Por ejemplo, ahora se sabe que los modelos oceánicos deben ejecutarse con una resolución horizontal de aproximadamente una décima de grado o aproximadamente 10 kilómetros para representar adecuadamente los procesos de vórtice oceánico. Incluso en una máquina de petaescala, solo se puede realizar un número limitado de ejecuciones con los nuevos modelos de alta resolución. Una máquina de exaescala permitirá incluso una alta resolución a medida que se desarrollen nuevos núcleos dinámicos. Sin embargo, lo más importante es que se pueden realizar conjuntos de análisis climáticos que abarcan muchos cientos de años, lo que permite una mejor representación de la variabilidad natural en el sistema climático.

Además, el cálculo a exaescala permitirá estudios bien caracterizados de las incertidumbres en el modelado de sistemas climáticos que son imposibles en los sistemas informáticos actuales debido a los grandes recursos necesarios.

Calendae: ¿El compromiso de ECS podrá aprovechar el trabajo realizado por el Proyecto Internacional de Software Exacale (IESP)?

Marc Snir: Muchos socios del proyecto son participantes activos de IESP ya sea como líderes, miembros del comité ejecutivo o expertos de IESP. El programa de investigación se definió teniendo en cuenta los resultados del IESP. El trabajo de IESP fue una herramienta para aclarar los desafíos y la definición del alcance de la investigación en los tres temas principales de nuestro proyecto ECS. Nuestro proyecto también ha seguido de cerca las discusiones dentro de la Iniciativa Europea de Software Exascale (EESI) y Japón, donde varios socios del G8 ECS están desempeñando un papel de liderazgo. IESP fue fundamental para motivar la solicitud de propuestas emitida conjuntamente por siete países del G8. Sin embargo, debe recordarse que IESP ha establecido una hoja de ruta. Se necesitan nuevas colaboraciones para implementarlo. El programa que nos financia a nosotros y a otros cinco proyectos es un primer paso (muy modesto) en esta dirección.

Calendae: ¿Qué tipo de suposiciones será necesario hacer sobre los futuros sistemas de exaescala para rediseñar el software?

Sombrero de Franck: Hemos tratado de hacer suposiciones razonables basadas en el estado actual de la técnica, proyecciones hechas en informes de preparación a exaescala y discusiones con desarrolladores de hardware. Estos supuestos siguen básicamente los considerados en IESP. Es probable que los sistemas de exaescala tengan núcleos híbridos (más SIMD secuenciales), cientos de núcleos por chip, muchos chips por nodo y jerarquías de memoria profundas. Otro elemento importante es la incertidumbre en el pronóstico del sistema MTBF. Esto dependerá esencialmente del nivel de enmascaramiento proporcionado por el hardware.

Una elección clave en nuestro proyecto fue probar nuestra idea de investigación en una variedad significativa de sistemas HPC disponibles: Blue Waters, Blue Gene P y Q, Tsubame2, la máquina K en Kobe y Marenostrum2. Creemos que lo que aprenderemos probando nuestras mejoras en estas máquinas nos ayudará a preparar mejor el código climático para la exaescala.

Calendae: ¿Qué tipo de cambios en las simulaciones climáticas actuales imagina para llevar este software al ámbito de la exaescala?

Sombrero: Nuestro proyecto se centra en tres cuestiones clave: escalabilidad a nivel de sistema, rendimiento a nivel de nodo y resiliencia. Ningún modelo climático existente escala al orden de un millón de núcleos. Por tanto, el estudio de la escalabilidad a nivel del sistema es fundamental. El motor de búsqueda principal es preservar la ubicación, ya que una ubicación sólida será crucial para el rendimiento. Exploraremos tres áreas clave: topología intensiva en computación y mapeos de procesos de simulación versus el sistema, superposición computación-comunicación y el uso de comunicaciones colectivas asincrónicas.

Con respecto al rendimiento a nivel de nodo, exploraremos el modelado y el autoajuste / programación de la heterogeneidad intranodo con una gran cantidad de núcleos, como las GPU; aprovechar la localización y la latencia ampliamente para mitigar el impacto en el rendimiento del tráfico intranodo; y estudiar el paralelismo de tareas para los módulos de física en el modelo de atmósfera.

ECS abordará la resiliencia a partir de múltiples enfoques complementarios, incluidos algoritmos de simulación climática resilientes, nuevas extensiones de programación para resiliencia y nuevos protocolos tolerantes a fallas para puntos de control no coordinados y reinicio parcial. Estos tres enfoques pueden considerarse como tres niveles de gestión de fallos, cada uno de los cuales se activa cuando el anterior no es suficiente para restaurar la ejecución.

Nuestro trabajo no es de ninguna manera una solución completa al problema de las simulaciones climáticas a exaescala. Se necesitarán nuevos algoritmos. Hay otro proyecto del G8 que analiza los cambios de algoritmo para mejorar la escalabilidad.

Es posible que se necesiten nuevos modelos de programación para soportar mejor la comunicación detallada y el equilibrio de carga. Algunos de nosotros estamos involucrados en otros proyectos que se enfocan en este problema. Sin embargo, nuestro trabajo es, en gran medida, agnóstico en estos temas.

Calendae: Cuando aparezcan los primeros sistemas de exaescala en 2018-2020, es casi seguro que el cambio climático estará mucho más adelantado de lo que está ahora. Suponiendo que podamos mover el software a estas plataformas de exaescala y obtener una representación mucho más precisa del sistema climático, ¿qué podrán hacer los responsables de la formulación de políticas con estos resultados?

Snir: Sospecho que todos los participantes en nuestro proyecto creen que el momento de actuar contra el calentamiento global es ahora, no dentro de diez años. La lamentable situación es que parecemos incapaces de emprender acciones radicales por diversas razones. Es difícil tener una acción internacional cuando un solo país está mejor servido eludiendo sus deberes – la paradoja del prisionero – y es difícil actuar cuando el costo de la acción es inmediato y la recompensa está lejos en el futuro.

Por desafortunado que sea, es posible que debamos pensar en mitigar en lugar de reparar. Simulaciones más precisas reducirán la incertidumbre actual sobre la tasa de calentamiento global y sus efectos; y será necesario para evaluar el efecto del cambio climático absoluto y el efecto de diversas acciones de mitigación. Las simulaciones actuales utilizan cuadrículas de 100 km. En esa escala, California está representada por unos pocos puntos, sin discriminación entre Coast Range y Central Valley, o Coastal Range y Sacrament-San Joaquin Delta. Claramente, el calentamiento global tendrá efectos muy diferentes en estas diferentes áreas geográficas. Con mejores simulaciones, cada miembro de la Cámara sabrá cómo se verá afectado su distrito.

Calendae: ¿Cuántos fondos hay disponibles para este trabajo y durante qué período de tiempo? ¿Contribuye cada país?

Sombrero: Este proyecto de tres años recibe financiación coordinada por el G8 del Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá (NSERC), la Agencia Nacional de Investigación Francesa (ANR), la Fundación Alemana de Investigación (DFG), la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia. (JSPS) y National Science Foundation (NSF). Este proyecto, junto con otros cinco proyectos, fue financiado como parte de la iniciativa G8 Research Councils sobre investigación multilateral, un programa interdisciplinario sobre software de aplicación para el procesamiento a exaescala de problemas globales.

Esta es la primera iniciativa de este tipo para fomentar una amplia colaboración de investigación internacional necesaria para permitir el uso eficaz de las futuras plataformas de exaescala. La financiación total de esta iniciativa es modesta, en torno a los 10 millones de euros en 3 años, repartidos en 6 proyectos.

Calendae: ¿Hay suficiente dinero para lograr los objetivos del proyecto? ¿Prevé más financiación?

Snir: El proyecto recibió suficiente dinero para financiar la fase de investigación y desarrollar prototipos separados sobre los tres temas principales. Nuestro objetivo es comprender las limitaciones de los códigos actuales y desarrollar una metodología para hacer que los códigos futuros sean más eficaces y resistentes. El desarrollo de estos códigos futuros requerirá una financiación significativamente mayor. Esperamos asociarnos con otros equipos que continúan mejorando los códigos climáticos y buscan financiamiento futuro para continuar nuestro trabajo a medida que se desarrollan nuevos códigos.

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